基于脉搏波的生理参数监测与生理信号重建技术研究

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1、万方数据大连理工大学专业学位硕士学位论文1．2．3基于脉搏波的心电信号重建研究现状及存在的问题目前针对脉搏波与心电信号关系的研究成果主要包括：张爱华等人采用提取脉搏波和心电特征向量的方法【17】，该方法借助显著性检验来分析脉搏波和心电之间的内在联系。但该方法只说明了脉搏波周期与心电周期的相关性，而不涉及基于脉搏波心电信号重建问题。此外，Martin等人提出了随机联合模型，借此重建损失的脉搏波，同时也可用于心电信号的重建【13】。但此方法只是借助脉搏波所包含的心率信息，要求所损失部分的前段和后段均有完整的心电信号且只损失少量的心电信号，故不是属于严格意义上的基于脉搏波的心电

2、信号重建方法，因而基于脉搏波的心电信号重建的问题仍有待进一步深入研究。1．3本文研究内容与结构框架针对目前亟待解决的老年人心血管类疾病的预防与辅助诊断问题，本文基于脉搏波进行了各项生理参数监测和生理信号重建的研究工作以及便携式监测系统的设计与实现。具体包括：针对现存的生理参数监测仪器，如动态血压检测仪和心电监测仪等，患者产生不适感以及其便携性较差的问题，本文通过软件设计和硬件电路实现了便携式生理参数监测系统。该系统引入蓝牙传输模块，将采集到的生理信号传输至嵌有高性能处理芯片的便携式智能设备，从而实现了不同硬件功能的细化与信号预／后处理时间的分化，即通过功能的分化与硬件的集

3、成，总体上提升了整个监测系统的舒适性与便携性，也降低了系统的实现成本。针对现存的基于高斯概率密度函数拟合脉搏波拟合算法误差较大的问题，本文提出了基于Alpha稳定分布概率密度函数拟合脉搏波的算法。由于相比高斯分布，Alpha稳定分布具有更多可调节的参数，故本算法利用此特点所获得的拟合结果具有更好的拟合优度以及更小的均方误差。同时本文还提出了基于此算法和ARMA模型的脉搏波重建方法，相比现存的方法，该方法在峰值对应时刻与对应幅度两方面都具有更小的误差。此外，本文还利用重建的脉搏信号实现了心率测量以及血压的测量，实验结果表明，本文的测量方法误差较小。针对现存的基于脉搏波重建心

4、电信号研究较少的现状，本文提出了基于脉搏波的心电信号重建算法。首先采用B样条拟合以获得了充足的信号特征参数，然后采用核主成分分析(KPCA)对特征参数进行降维以降低计算复杂度，符合便携式设备的设计需求，最终通过神经网络利用脉搏波特征对心电特征进行重建，即实现了心电信号的重建。通过实验结果表明，本文提出的心电重建算法具有较小的均方根百分误(PRD)。万方数据基于脉搏波的生理参数监测与生理信号重建技术研究根据上述的主要研究内容，本文主要分为四章，安排如下：第一章：介绍本课题的研究背景及意义，说明了为预防和辅助治疗老年人心血管类疾病而进行持续的生理参数监测、生理信号重建以及便携

5、式监测系统实现的重要性；同时介绍了国内外基于脉搏波进行脉搏波、心电信号重建，以及基于脉搏波的生理参数(如血压等)估计的研究现状，存在的具体问题以及各类方法有待改进之处；并在章末介绍了本文主要研究工作和各章节的主要内容。第二章：介绍了所实现的便携式生理参数监测系统的软件面设计与硬件电路实现；并介绍了信号的采集模块、信号预处理模块、信号传输模块、信号后处理模块以及人机交互界面等的主要功能。第三章：通过分析导致现有的脉搏波拟合算法存在较大误差的原因，提出了基于Alpha稳定分布概率密度函数的脉搏波拟合算法；在此基础上，进一步提出基于该拟合算法和ARMA模型的脉搏波重建方法；之后

6、，对基于所重建脉搏波的生理参数(如心率和血压等)的测量方法进行了研究；并依次通过仿真实验证明了上述方法优势。第四章：针对现存的基于脉搏波重建心电信号研究较少的现状及必要性，提出了基于脉搏波的心电信号重建算法。该算法采用B样条拟合以获得了充足的信号特征参数，然后采用KPCA对特征参数进行降维以降低计算复杂度，最终通过神经网络利用脉搏波特征对心电特征进行重建，同时采用仿真实验证明了该方法的有效性。最后对本文工作进行了客观的总结。万方数据大连理工大学专业学位硕士学位论文2脉搏波信号采集系统设计及预处理本章主要进行了脉搏波信号采集系统的设计与实现，包括系统的硬件实现部分与软件实现

7、部分，同时对采集的脉搏波信号进行了去除噪声和提取特征信息等预处理工作。2．1脉搏波信号背景知识2．1．1脉搏波信号概述由于心室规律性的舒张和收缩，动脉压力随之发生变化，此变化又引起了动脉血管的舒张和收缩，进而造成了血管规律性的搏动，即产生了脉搏【181。脉搏波正是由此搏动沿动脉血管和血流向四周传播而形成。关于脉搏波信号的采集，现在日常使用的主要有两种类型脉搏波传感器用于检测，一种是基于光电转换形式的脉搏波传感器，还有一种是基于压力变换形式的脉搏波传感器【19】。光电式脉搏波传感器的检测原理是基于心动周期中动脉血管的收缩和舒张运